S E C Ç Ã O I N ST R U M E N TA Ç Ã O Miguel Malheiro Eng.º Electrotécnico, Ramo de Automação, Controlo e Instrumentação, FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto mcbmalheiro@gmail.com
CONTROLADORES Por definição, loop de controlo é todo o sistema de controlo constituído por: elemento primário de medida, transmissor/conversor de sinal, controlador e elemento final de controlo (EFC) (Válvula de controlo, conversor de frequência, triac, e outros). Os loops de controlo podem ter dois ou mais EFC. Por exemplo: no controlo de temperatura para aquecimento/arrefecimento e ou controlo fino/grosso; no controlo pH para injecção de ácido/cal. Nos processos industriais utilizam-se os seguintes tipos de controlo: - Duas posições (ON/OFF); - Duas posições Flutuante; - Proporcional de tempo variável; - Proporcional; - Proporcional + Integral; - Proporcional + Derivativo; - Proporcional + Integral +Derivativo.
CONTROLO FLUTUANTE Este tipo de controlo utiliza o controlo ON/OFF. A diferença reside no elemento final de controlo o qual muda de posição com uma velocidade constante, isto é, faz o percurso entre 0% ~ 100% e vice-versa num tempo pré-determinado. Relativamente ao controlo ON/OFF, o controlo flutuante tem a vantagem de reduzir as oscilações da variável controlada.
CONTROLO ON/OFF Os controladores ON/OFF podem ter uma ou duas saídas de controlo, com dois estados lógicos (ON/OFF) e com ou sem banda diferencial (zona morta entre estados). Na regulação ON/OFF o elemento final de controlo move-se rapidamente entre dois estados e, este tipo de controlo caracteriza-se por um ciclo contínuo de variação da variável controlada. A forma do referido ciclo é semelhante à função sen Į . Neste tipo de controlo normalmente é usada a banda diferencial, a qual permite que o elemento final de controlo (EFC) permaneça na última posição para valores da variável dentro do intervalo da banda diferencial (Figura 1). Assim os ajustes neste tipo de controlo são definidos pela banda diferencial e pelo set value (SV).
Figura 1 · Controlo ON/OFF normal.
Figura 2 · Controlo ON/OFF com Banda Diferencial.
[26] robótica
Figura 3 · Controlo flutuante.
CONTROLO PROPORCIONAL DE TEMPO VARIÁVEL Neste sistema de controlo existe uma relação pré-determinada entre o valor da variável controlada e a posição média em tempo do elemento final de controlo ON/OFF. O tempo de ciclo ON/OFF é constante, mas a relação entre os tempos ON e OFF dentro de cada ciclo varia proporcionalmente ao valor de offset (offset = set value – process value). Este tipo de controlador tem uma regulação pela banda proporcional (%) e pelo tempo de ciclo (s). Em que a banda proporcional (BP) é a percentagem do campo de medida da variável controlada que o elemento final de controlo (EFC) necessita para efectuar um percurso completo, isto é, passar de completamente aberta a completamente fechada (Figura. 5). Nota que para BP > 100% e para todo o campo de medida da variável controlada, não é possível controlar o EFC no seu movimento completo. Assim na Figura 4 é possível verificar que para um controlador com BP = 20% e 10 s de tempo de ciclo, significa que com um offset = 0% o elemento final de controlo (EFC) posiciona-se em ON durante 5 s e em OFF nos restantes 5 s. Com um offset = -5%, o EFC posiciona-se em ON durante 7,5 s e em OFF os restantes 2,5 s. Para um valor de offset ≤ -10% ou offset × 10%, o EFC posiciona-se respectivamente em ON ou OFF durante todo o ciclo.
Figura 4 · Controlo proporcional de tempo variável.
S E C Ç Ã O I N ST R U M E N TA Ç Ã O
correcções rápidas ou cíclicas de um elemento final de curso podem perturbar seriamente outros processos de controlo associados. O critério de amplitude mínima indica que a amplitude do desvio deve ser mínima (Figura 10c) e aplica-se especialmente nos processos em que o produto ou o equipamento podem ser danificados por desvios momentaneos excessivos. Em que a magnitude do desvio é mais importante que a sua duração. Por exemplo, no caso de fusão de algumas ligas metálicas em que estar a uma temperatura acima do valor desejado durante um período de tempo pode destruir o metal. Quando se inicia o arranque de uma planta faz-se, normalmente, um primeiro ajuste dos controladores, isto é, fixa-se os valores das acções de controlo PID. Dado que no arranque o tempo é limitado, os instrumentistas iniciam com valores de acção conhecidos pela sua experiência e só depois ajustam definitivamente estes valores. A Tabela seguinte é um guia de referência destes valores iniciais: Tabela 2 · Valores das acções de controlo. Figura 10 · Critérios de qualidade do controlo.
Este critério é um compromisso entre a estabilidade de resposta do controlador e a rapidez do retorno da variável do processo ao valor desejado ou a um valor estável: uma relação maior de ¼ daria maior estabilidade, mas prolongava o tempo de estabelização da variável do processo aumentando a possibilidade de aparecimento de perturbações; enquanto que numa relação menor que ¼ a variável do processo voltará mais rapidamente ao valor desejado, mas prejudicará a estabilidade do sistema. O critério de mínima perturbação requer uma curva de recuperação não cíclica similar à curva b da Figura 10. E aplica-se quando, por exemplo, as
Malha de Controlo
Ganho
Banda proporcional %
Integral (minutos)
Derivativo (minutos)
Pressão (líquidos)
0,2 - 2
500 - 50
0,005 - 0,05
Não é necessária
Pressão (gases)
2 - 100
50 - 1
0,1 - 50
0,02 - 0,1
Caudal
1,25 - 0,4
80 - 250
0,5 -15
Não é necessário
Nível
1-2
100 - 50
Não é necessária
0,01 - 0,05
Temperatura
2-5
50 - 20
0,5 - 15
0,5 - 3 PUB
robótica [29]